基于Midas的人行天橋靜動力分析及試驗檢測評估

胡幫義，許 波，袁向榮

(1.廣州大學土木工程學院;2.中交四航局第二工程有限公司)

近年來，我國的城市發展迅速，人口日益密集，人車爭道的問題十分嚴重，交通擁堵也是時常出現的問題，為了方便市民安全出行，減少城市道路的擁堵，各大城市陸續興建了大量人行天橋。混凝土連續小箱梁是一種較常采用的結構形式，然而隨著橋梁逐步投入運營，橋梁結構不可避免的會出現鋪裝破損、欄桿破壞，箱梁銹脹露筋、破損開裂等病害，為了保證橋梁運營的安全，保障橋下車輛通行安全和行人生命安全，對橋梁的承載能力進行檢測評估是必要的。以東莞市東城區莞長路牛山段老圍人行天橋為工程背景，采用Midas Civil 有限元軟件對該人行天橋進行了靜動力分析，制定了靜動載試驗方案，然后在橋梁現場實施了靜動載試驗，根據理論計算和試驗檢測結果的對比分析，依據《公路橋梁承載能力檢測評定規程》(JTG/T J21－2011)(以下簡稱《評定規程》)的規定，將該橋技術狀況等級被評定為B 級(良好)，滿足承載能力的要求。

1 工程概況

東莞市東城區莞長路牛山段老圍人行天橋由主橋和4 個梯道組成，主橋長49 m，為2 ×23 m 預應力混凝土連續剛構橋，寬4 m，橫向布置為:0.2 m(欄桿)+3.6 m(人行道)+0.2 m(欄桿)。上部結構采用連續小箱梁，箱梁高1.45 m，底板寬1.2 m;下部結構2#墩采用獨柱式矩形墩，墩梁固結，1#及3#墩為雙柱式圓形墩;橋面鋪設廣場磚;單個梯道長約25 m，寬3 m，梯道采用鋼筋混凝土箱梁，獨柱式圓形墩。結構立面、平面及橫截面分別如圖1 所示。

圖1 橫截面圖(單位:cm)

2 靜力分析及靜載試驗

2.1 靜力分析

(1)有限元模型采用Midas Civil 軟件建立了該橋的有限元計算模型，按單梁模型計算，共建立了57 個節點和55 個梁單元，2#墩底部固接，主梁一端約束x，y，z 方向的位移，另一端只約束y，z方向的位移。

(2)活載內力計算

活載考慮4.0 kN/m2的人群荷載，利用動態規劃加載法計算出控制截面的彎矩包絡值，如表1 所示，繪出活載彎矩包絡圖如圖2 所示。

表1 主梁活載控制截面彎矩包絡值匯總表(kN·m)

圖2 主梁活載控制斷面彎矩包絡圖

2.2 靜載試驗

(1)加載程序

為了獲得結構試驗荷載與響應之間的關系和防止結構意外損傷，加載方式采用逐級加載。根據荷載等效的原則確定試驗荷載大小和加載位置。本試驗采用混凝土塊加載，一個混凝土塊重約30 kN，底面尺寸為1 ×2 m，共需6 個，通過工況1～3，使試驗跨跨中截面正彎矩達到加載效率。各工況加載載位如圖3 所示。

圖3 各工況加載載位圖(單位:cm)

(2)加載效率

本次試驗為鑒定荷載試驗，根據《評定規程》的要求，橋梁的靜力試驗按荷載效率η 來確定試驗的最大荷載。η 取值宜介于0.95～1.05 之間，對應各試驗工況，工況1 下η 為0.394，工況2 下η 為0.716，工況3 下η 為0.989，檢測橋跨跨中截面最大加載效率計算值為0.989，加載效率符合《評定規程》的要求。

(3)變形測點及計算撓度值

在試驗跨支點、四分點、跨中和鄰跨支點和跨中等處共布置7 個撓度測點，如圖4 所示。測點采用長2 cm 特制螺栓固定在橋面鋪裝層上，豎向變形測量采用二等變形要求控制，每站高差中誤差要求為±0.13 mm，采用NA2/GPM3 型精密水準儀，后視點設置在測試橋跨外。

圖4 撓度測點布置圖(單位:cm)

各測點撓度計算值如表2 所示，撓度以向下為負。

表2 試驗荷載各撓度測點計算結果(mm)

(4)應變測點及計算應變值

在試驗橋跨跨中截面設置3 個應變測點，采用基康鋼弦應變計，測量各級荷載下的應變及卸載后殘余應變。應變測點布置示意圖，如圖5 所示。

圖5 應變測點布置示意圖(單位:cm)

各測點應變計算值如表3 所示，應變以拉為正。

表3 試驗荷載作用下檢測跨測點計算應變值(με)

(5)試驗結果及分析評定

①撓度測試結果

試驗荷載作用下各撓度測點實測結果如表4 所示，實測值和計算值比較如表5 所示，由表5 可知，主要測點的撓度校驗系數ζ 均小于1，能夠滿足《評定規程》關于校驗系數的要求。

表4 試驗荷載作用下各撓度測點實測結果(mm)

表5 撓度測點實測值和計算值比較(mm)

②應力(應變)測試結果

試驗荷載作用下各應變測點實測結果如表6 所示，實測值和計算值比較如表7 所示，由表7 可知，跨中截面主要測點(Y1#～Y3#)的應變校驗系數ζ 均小于1，能夠滿足《評定規程》關于校驗系數的要求。

表6 試驗荷載作用下各測點應變實測結果(με)

表7 應變測點實測值和計算值比較(με)

在工況1～3 下，檢測跨跨中實測應變與荷載加載效率關系曲線如圖6 所示，線性相關系數R 為0.931，表明應變與荷載之間成良好的線性關系。

圖6 工況1～3 實測應變與加載效率關系曲線

③殘余變形和應變

試驗結束前進行了殘余變形和殘余應變觀測，殘余變形和應變分別如表8、表9 所示，主要測點的相對殘余變形及相對殘余應變均未超過20%，滿足《評定規程》的要求，表明結構處于彈性工作狀態。

表8 主要測點殘余變形(mm)

表9 主要測點殘余應變(με)

(6)靜載試驗小結

該橋檢測跨靜力工作性能良好，各項試驗檢測指標均能滿足《評定規程》的要求，在試驗過程中未見肉眼可見的裂縫出現，試驗橋跨的橋墩未產生可觀測到的沉降變位。橋梁的承載能力和正常使用性能均能滿足設計荷載等級的要求。

3 動力分析及動載試驗

3.1 動力分析

采用如圖2 所示的有限元計算模型，按特征值分析方法，計算得一階頻率4.83 Hz，二階頻率7.40 Hz，三階頻率18.05 Hz，前3 階振型。

3.2 動載試驗

動載試驗采用北京東方振動和噪聲技術研究所研制的DASP 動態測試與分析系統進行。測試項目有自振特性和受迫振動特性，自振特性測試采用地脈動為激振源，受迫振動測試采用重60 kg 的沙袋從離橋面1.5 m 高處落下沖擊的方式為激振源。在試驗跨中和四分點各布置1 個動測測點，共2 個動測測點。

3.3 動載試驗結果

動載試驗結果如表10 所示。

表10 動載試驗測試結果

3.4 動載試驗小結

動測數據表明該橋的一階自振頻率為5.37 Hz，阻尼比為1.3952%，對應的理論計算一階頻率為4.83 Hz。實測頻率大于理論計算值，且大于3 Hz，表明該橋的實際剛度較大，振動響應較小，動力性能較好。

4 檢測評估結論

通過對該橋靜動力計算分析及試驗檢測，表明:該橋靜力工作性能良好，振動響應較小，動力性能較好，各項試驗檢測指標均能夠滿足《評定規程》的要求，橋梁的承載能力和正常使用性能均能滿足設計荷載等級的要求，且具備一定的安全儲備，評定該橋技術狀況等級為B 級(良好)。

［1］何宗成，王柏生.大跨度人行天橋的振動影響測試與分析［J］.振動與沖擊，2006，25(4):138－141，161.

［2］劉振波.某人行天橋的可靠性鑒定［J］.山西建筑，2007，33(15):325－326.

［3］陳峰，王建華，等.大跨徑人行天橋靜、動載試驗檢測與評價分析［J］.建筑科學與工程學報，2008，25(3):122－126.

［4］張冠華，葛耀君.混凝土連續箱梁人行天橋振動特性測試與分析［J］.振動與沖擊，2009，28(2):102－106.